高质量晶体元器件和模块与全固态激光技术

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1、-1- 2011.000.007.159 国家科学技术进步奖推荐书国家科学技术进步奖推荐书 （2011 年度）年度） 一、项目基本情况一、项目基本情况 专业评审组： 非金属材料专业组 序号： 奖励类别： 技术开发 编号： 名称 高质量晶体元器件和模块与全固态激光技术 项目 名称 公布名 高质量晶体元器件和模块与全固态激光技术 候选人 林文雄,洪茂椿,吴少凡,兰国政,谢发利,庄健,黄见洪,陈伟,郑晖,吴先云 候选单位 中国科学院福建物质结构研究所,福建福晶科技股份有限公司 项目名称可否公布 是 项目密级 非密 定密日期 保密期限(年) 推荐单位 （盖章） 福建省 定密审查机构 主 题 词 晶体；

2、组合模块；全固态激光 1 人工晶体材料制品制造技术 代码 43076 2 激光器技术 代码 5103625 学科分类 名 称 3 代码 所属国民经济行业 制造业 所属科学技术领域 新材料与器件 任 务 来 源 A2-863 计划;A4-其它计划;B-部委计划;C-省、市、自治区计划;D1-国家自然科 学基金; 具体计划、基金的名称和编号： （不超过 300 字） 国家自然科学基金 2002H005； 科技部国家工程技术研究中心平台建设项目 2005DC105003； 国家高技术发展(863)计划重点课题项目 2007AA030115； 国家高技术发展(863)计划全固态激光技术应用重点课题子课

3、题 2006AA033101-3； 国家标准制定计划项目国标委计划【2005】112 号； 福建省科技重点项目 2003H047； 福建省首批重大科技专项 2004HZ01-1； 中国人民解放军 63839 部队技术委托项目 2004350001000473； 中国工程物理研究院流体物理所技术委托项目 2006350001001003。 授权发明专利（项） 7授权的其他知识产权（项） 9项目起止时间 起始： 2000-07-01 完成： 2008-02-01 国家科学技术奖励工作办公室制 -2- 2011.000.007.159 二、项目简介二、项目简介 本项目属非金属材料科学与技术领域，涉及

4、全固态激光技术领域中激光和非线性光学晶体、元器 件制备、激光技术及其集成和应用等技术。 全固态激光在激光显示、先进制造、光通讯、国家安全等领域发挥基础性、关键性作用。据 统计，仅激光制造高端装备的全球市场规模每年就超过 550 亿美元。因此全固体激光成为各发达 国家战略必争的高技术产业。然而，近年来原有材料与器件已经无法适应激光应用领域跨越式发 展的要求，成为产业发展瓶颈。 本项目在国家863等计划支持下，在物质结构设计与调控理论指导下，突破“晶体材料-元器 件-模块-激光系统与应用”技术链上中下游的共性关键技术，提升我国全固态激光核心竞争力， 支撑民族激光产业发展，满足了国家重大战略需求。

5、主要创新点： 1.用于高功率激光器的非线性和激光晶体生长及元器件制备技术 解决有晶面低吸收三硼酸锂（LBO） 、低缺陷硼酸铋（BIBO）晶体生长难题，技术水平达到国 际领先， 成果转化单位的LBO国际市场占有率超过60， 是国际上BIBO唯一规模化供应商。 在国 际上率先开发出原生三段式掺钕钒酸钇晶体产品，其界面吸收损耗比传统三段键合晶体降低一个 数量级，突破端泵浦激光高功率运行中长寿命难题。攻克潮解性、各向异性晶体的高损伤阈值镀 膜难题。 2.晶体组合模块微型化、低成本制备技术 1）通过微腔结构设计、晶体配对自动筛选等技术革新，开发出宽温型绿光系列模块，建成国 际上最大的绿光系列激光晶体模块

6、生产基地；2）解决激光与非线性晶体各向异性及紧凑型谐振腔 设计带来的一系列技术难题，在国际上率先开发出紧凑型系列蓝光晶体器件组合模块，免调整即 插即用，为低成本中小功率蓝光激光器大规模应用奠定基础。 3.适应工况环境的高亮度全固体激光技术集成与应用 1）在国际上首次提出种子注入能量缩减锁定判据，攻克激光脉冲同步精度长时间运行漂移性 大的难题，开发出国际领先水平的抗振动、宽温单纵模脉冲全固态激光器，填补国际产品空白， 在国家XX重点工程及“神七工程”XXX风洞检测中发挥重要作用； 2） 创新性提出类波导腔波片镜 像热效应补偿专利技术，开发出具有国际领先水平1319nm 大功率激光, 应用于国家X

7、X重要项目 自校正系统中；3）开发出工况环境适应性强的高亮度激光系统，在高精度石英晶振、LED 芯片表 面刻蚀、金属不同熔点异质材料焊接等产业应用中取得良好效益。 项目制订2项国家标准；获得授权发明专利7件，实用新型7件，申请发明专利17项；发表 SCI、EI收录论文12篇。项目技术已转移福晶科技等企业，近三年累计新增产值6.16亿元，利润 和税收2.40亿元。 项目成果获得2007和2010年度福建省科技进步一等奖各一次， 2006年度福建省科技进步二 等奖一次， 2010年度福建省标准贡献一等奖一次， 高性能蓝绿激光晶体组件获科技部2009年度国 家自主创新产品称号。以本项目成果为核心的国

8、家光电子晶体材料工程技术研究中心，在同期验 收通过的10个国家级工程技术中心中排名第一，评为优秀。 -3- 2011.000.007.159 三、主要科技创新三、主要科技创新项目背景：项目背景： 全固态激光器（DPL）是采用半导体激光泵浦激光晶体，获得光束质量和相干特性较好的基频激光，再通过非线性晶体变频，以获得各个不同波段的激光。全固态激光器同时拥有固体激光和半导体激光双重优点，具有效率高、体积小、使用寿命长等优势，在国民经济多个领域发挥基础性、关键性作用：在先进制造领域，其可操控性和高效性极具优势，克服了气体CO2激光器难以用光纤柔性传输的缺点，系统寿命和可靠性是闪光灯泵浦系统的100倍；

9、在显示领域，由于激光显示比传统色彩再现能力提高2倍，已成为国际公认的实现超大色域的显示技术；在国家安全领域，全固态定向能激光器，因其体积小，亮度高，具有机动性能好等显著优势。因此全固体激光成为各发达国家战略必争的高技术产业。 进入21世纪，原有材料与器件已经无法适应激光应用领域跨越式发展的要求，成为产业发展瓶颈。制约发展的共性问题主要有3点：在晶体材料元器件方面，存在高吸收、光效率低、成本高等问题；在激光系统集成与应用方面，主要是体积大，使用复杂，长期工作稳定性和工况环境适应性差等问题，同时工程产业化水平较低。基于上述现状分析，项目组通过全固态激光器中应用最广、最具代表性的核心技术为突破口：继

10、续保持晶体材料制备技术的国际领先地位；突破激光系统集成关键共性技术，进一步向高附加值的下游产业延伸；并通过工程化技术开发与产业应用，变技术优势为产业优势。 总体研究思路：总体研究思路： 激光和非线性晶体生长与器件加工、模块设计与制备、激光系统集成是本项目最主要的3项核心技术，它们之间是相互促进，相互制约，密不可分。项目组在材料科学和激光物理研究基础上，将晶体生长、组件制备与激光系统设计等相对独立学科的技术协调起来；通过“晶体结构设计缺陷研究晶体生长模块设计激光系统开发与应用工程开发”实时互动的研发模式，开展涉及高质量晶体元器件和模块与全固态激光技术上下游技术环节的多学科综合研究；对产业化中的关

11、键共性技术进行工程化开发，研究、制订相关国家标准，推动行业发展；实现了高质量晶体元器件和模块与全固态激光系统的规模化生产。 创造性关键技术：创造性关键技术： 创新点创新点1：用于高功率激光器的非线性和激光晶体生长及元器件制备技术：用于高功率激光器的非线性和激光晶体生长及元器件制备技术 在国际上率先开发出界面吸收损耗降低一个数量级的原生三段式掺钕钒酸钇(Nd:YVO4） 晶体产品， 攻克了端泵浦激光高功率运行中长寿命难题，并被国际激光领域众多大公司采纳，目前在国际上规模化替代已普遍商用化的三段键合晶体；系统解决了有晶面低吸收三硼酸锂(LBO)、低缺陷硼酸铋(BIBO)晶体的生长技术难题；解决了潮

12、解性、各向异性晶体高损伤阈值镀膜技术难题，其中LBO、BIBO晶体生长等关键技术达到国际领先水平，LBO晶体国际市场占有率超过60，BIBO是国际上唯一规模化供应商。相关成果已在福晶科技等公司转化，建立5条产品线；产品近三年累计销售额35470.28万元，利税15376.8万元。 学科分类名称：学科分类名称：人工晶体材料，代码5103625。支持材料：闽科鉴字2007第48 号(附件11-13)；授权发明专利ZL02104314.0、ZL02104315.9(附件2,3)；文章2 篇(附件40中序号1-2)；国家标准2项 (附件9,10)；应用证明(附件20-21)；福建省科技奖一等奖(附件3

13、2,33)、福建省标准贡献奖一等奖(附件34）。 (1) 低吸收三硼酸锂晶体（低吸收三硼酸锂晶体（LBO）的制备新技术）的制备新技术 技术难点：技术难点：LBO中的B-O键链易形成三维网络结构，导致熔体粘度大，采用传统技术生长的LBO晶体-4- 2011.000.007.159 吸收高，光损耗大，尤其在高功率下应用时候，晶体发生不可逆光衰，甚至很容易炸裂，因此LBO在高功率激光器中的应用前景曾受到国际上最重要的几个激光公司的质疑；同时国际上原有晶体生长工艺的生长周期长、利用率低、成本高，严重制约了激光器在新型激光显示、激光微纳加工等重要民用领域的应用。 技术创新点：技术创新点：在结构化学和材料

14、物理理论研究基础上，开发出优质低吸收LBO晶体的一系列独创性生长技术，具体包括：1）传统的氟化物助溶剂体系熔体粘度大，杂质易进入晶格，导致晶体吸收高（2000ppm/cm），仅可满足低功率激光器使用要求，项目组开发钼酸盐与氟化物不同配比的新型组合型助溶剂生长体系，打破熔液中B3O7网络结构，降低熔液粘度，实现有晶面晶体生长；开发出敏感微缺陷吸收中心的控制与消除技术，将晶体吸收降低2个数量级（20ppm/cm）；2）传统晶体生长方向与应用器件的使用方向存在角度差，毛坯的元器件切出率低，项目突破非优势晶面强迫生长新技术，实现、类匹配角度晶体定向生长，大幅度提升晶体毛坯利用率，降低元器件制备成本；3

15、）采用非对称温场促进高温熔体的受控对流，实现稳态生长条件的长周期维持，很好地解决大尺寸晶体生长问题。 实施成效：实施成效： 项目产品获得美国相干、 光谱物理、 德国GWU等国际知名激光公司赞誉， 成为第一供应商；SONY采用项目提供晶体器件，研制出国际首套激光显示大型影院，在日本爱知世博会取得国际关注；中科院北京光电院、中视中科采用项目组提供器件，研制出国内首套激光影院。成果已经转移相关企业，已建成国际上最大的硼酸盐非线性晶体产业基地，国际市场占有率超过60。 原有国际产业化技术水平原有国际产业化技术水平 本项目产业化技术水平本项目产业化技术水平 毛坯质量 中心有包裹区 毛坯利用率低 整块晶体

16、无包裹 匹配角定向生长 生长周期/毛坯重量/利用率 6个月 / 150 g / 80 体吸收系数 2000ppm/cm,适用于中低功率激光20ppm/cm，可满足超高功率激光要求(2) 原生三段式掺钕钒酸钇晶体（原生三段式掺钕钒酸钇晶体（YVO4+Nd:YVO4+YVO4）的原创性制备技术）的原创性制备技术 技术难点：技术难点：钒酸钇热导系数低，在高功率激光应用中，国际上均采用纯钒酸钇与掺钕钒酸钇光胶键合的三明治结构来提高激光晶体的有效散热， 但光胶键合界面又引入了不希望有的高光吸收 （37000ppm/cm） ，同时也引起难以克服的“功率振荡效应”。此外，由于所用的三块分立晶体都必须分别定向、切割、抛光及配对选择，并进行二次高温键合，工序复杂，成品率很低，制备成本高。 技术创新点：技术创新点：项目组从高功率激光的需求出发，在国际上率先开发出“原生”三段式晶体毛坯原创性制备技术，突破生长过程中界面动态修复的关键技术，结合平界面生长工艺，在同一毛坯内成功实现了三个不同局域区的钕离子浓度调控分布，彻底